DE102021110187A1

DE102021110187A1 - Streutopographie-walzen von pulvermetallzahnrädern

Info

Publication number: DE102021110187A1
Application number: DE102021110187.5A
Authority: DE
Inventors: Jason L. Austin; Dale A. Gerard
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-03-31
Also published as: US20220097159A1; CN114273572B; US11707792B2; CN114273572A

Abstract

Ein Verfahren zum Formen eines Getriebes für Kraftfahrzeuge umfasst eines oder mehrere der folgenden Verfahren: Anordnen eines Rohlings zwischen einem ersten Werkzeugelement und einem zweiten Werkzeugelement, wobei sowohl das erste Werkzeugelement als auch das zweite Werkzeugelement einen Satz von Zähnen aufweist; und Bewegen des ersten Werkzeugelements und des zweiten Werkzeugelements in Richtung des Rohlings, während das erste Werkzeugelement und das zweite Werkzeugelement gedreht werden, um ein Getriebe mit einem Satz von Zähnen aus dem Rohling zu formen. Jeder Zahn des Satzes von Zähnen hat eine Topographie, die von Zahn zu Zahn variiert.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Umformen von Metallzahnrädern für Kraftfahrzeuge. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf das Umformen von Metallzahnrädern mit gestreuter Zahn-zu-Zahn-Topographie.
Ein typisches Kraftfahrzeug setzt sich aus vielen verschiedenen Komponenten zusammen. Viele dieser Komponenten enthalten einen Satz von Zahnrädern, um die Komponente zu betreiben. Während des Betriebs dieser Komponenten kann das von diesen Komponenten erzeugte Geräusch, die Vibration und die Härte (NVH) in bestimmten Situationen nicht geeignet sein. Um NVH in verschiedenen Komponenten zu reduzieren, erfordert die Herstellung der Zahnräder für diese Komponenten mehrere Prozesse.
Während die derzeitigen Systeme und Verfahren zur Formung von Zahnrädern ihren Zweck erfüllen, besteht daher ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zur Formung von Zahnrädern, um NVH zu reduzieren und gleichzeitig kosteneffektiv zu sein.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Formen eines Getriebes für Kraftfahrzeuge einen oder mehrere der folgenden Schritte: Anordnen eines Rohlings zwischen einem ersten Werkzeugelement und einem zweiten Werkzeugelement, wobei das erste Werkzeugelement und das zweite Werkzeugelement jeweils einen Satz von Zähnen aufweisen; und Bewegen des ersten Werkzeugelements und des zweiten Werkzeugelements in Richtung des Rohlings, während das erste Werkzeugelement und das zweite Werkzeugelement gedreht werden, um ein Getriebe mit einem Satz von Zähnen aus dem Rohling zu formen. Jeder Zahn des Satzes von Zähnen hat eine Topographie, die von Zahn zu Zahn variiert.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht der Rohling aus Pulvermetall.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Oberfläche jedes Zahns des Zahnsatzes verdichtet, um die Härte und Festigkeit der Oberfläche jedes Zahns zu erhöhen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung nimmt der Elastizitätsmodul mit zunehmendem Abstand von einem Rand der Oberfläche ab.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung führt die Topographie zu einer zufälligen Erregung während eines Betriebs des Getriebes.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Oberfläche eines Zahnradzahns verdichtet und die Verzahnung hat eine zufällige Zahn-zu-Zahn-Topographie.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Oberfläche eines Zahnradzahns verdichtet und die Verzahnung hat eine vorgegebene variable Zahn-zu-Zahn-Topographie.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Formen eines Getriebes für Kraftfahrzeuge einen oder mehrere der folgenden Schritte: Anordnen eines Rohlings zwischen einem ersten Werkzeugelement und einem zweiten Werkzeugelement, wobei der Rohling aus Pulvermetall hergestellt ist und sowohl das erste Werkzeugelement als auch das zweite Werkzeugelement einen Satz von Zähnen aufweist; und Bewegen des ersten Werkzeugelements und des zweiten Werkzeugelements in Richtung des Rohlings, während das erste Werkzeugelement und das zweite Werkzeugelement gedreht werden, um ein Getriebe mit einem Satz von Zähnen aus dem Rohling durch Kaltwalzen zu formen. Der Satz von Zähnen des Zahnrads hat eine verstreute Zahn-zu-Zahn-Topographie.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Oberfläche jedes Zahns des Zahnsatzes verdichtet, um die Härte und Festigkeit der Oberfläche jedes Zahns zu erhöhen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung nimmt der Elastizitätsmodul mit zunehmendem Abstand von einem Rand der Oberfläche ab.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung führt die Topographie zu einer zufälligen Erregung während eines Betriebs des Getriebes.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Oberfläche eines Zahnradzahns verdichtet und die Verzahnung hat eine zufällige Zahn-zu-Zahn-Topographie.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Oberfläche eines Zahnradzahns verdichtet und die Verzahnung hat eine vorgegebene variable Zahn-zu-Zahn-Topographie.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat die Zahn-zu-Zahn-Topographie variierende Mikrogeometrieparameter.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenlegung umfassen die Mikrogeometrie-Parameter Variationen in mindestens einem der folgenden Parameter: Zahn-zu-Zahn-Abstandsfehler, Profilkrone, Steigungskrone, Profilneigung, Steigungsneigung oder Profilspitzenrelief.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug eine Verzahnung, die aus einem Rohling durch Kaltwalzen geformt wird. Die Verzahnung weist eine zufällige Zahn-zu-Zahn-Topographie auf.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat die Zahn-zu-Zahn-Topographie variierende Mikrogeometrieparameter.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenlegung umfassen die Mikrogeometrie-Parameter Variationen in mindestens einem der folgenden Parameter: Zahn-zu-Zahn-Abstandsfehler, Profilkrone, Steigungskrone, Profilneigung, Steigungsneigung oder Profilspitzenrelief.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 zeigt ein System zum Formen eines Zahnrades mit gestreuter Topographie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ist ein Diagramm des Elastizitätsmoduls und der Porosität in Abhängigkeit vom Kantenabstand von einer Oberfläche eines Zahnrads gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3 ist eine perspektivische Teilansicht eines Getriebes, das mit dem in 1 dargestellten System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gebildet wird;
4A ist eine perspektivische Ansicht eines Zahns eines Zahnrads mit einer Topografie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
4B ist eine perspektivische Ansicht eines Zahns eines Zahnrads mit einer anderen Topographie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Bezug nehmend auf 1 ist ein System 10 zur Formung eines Zahnrads 12 durch Kaltwalzverfahren für ein Kraftfahrzeug dargestellt. In bestimmten Anordnungen wird das Zahnrad 12 aus einem Pulvermetall hergestellt. Das System 10 umfasst ein erstes Werkzeug 14 und ein zweites Werkzeug 16. In verschiedenen Anordnungen sind das erste Werkzeug 14 und das zweite Werkzeug 16 aus Stahl gefertigt. Das erste Werkzeug 14 hat einen Satz von Umformzähnen und ist an einer Plattform 20 befestigt. Das erste Werkzeug 14 ist so montiert, dass es sich relativ zur Plattform 20 drehen kann, wie durch den Pfeil 26 angezeigt. Das zweite Werkzeug 16 hat einen Satz von Umformzähnen und ist an einer Plattform 22 befestigt. Das zweite Werkzeug 16 ist so montiert, dass es sich relativ zur Plattform 22 drehen kann, wie durch den Pfeil 24 angedeutet.
Das Zahnrad 12 wird zunächst als Rohling auf einer Plattform 18 montiert. Das Zahnrad 12 ist so an der Plattform 18 befestigt, dass sich das Zahnrad 12 während des Umformprozesses relativ zur Plattform 18 drehen kann, um das Zahnrad 12 herzustellen. Während des Umformvorgangs ist die Plattform 18 stationär, während die Plattformen 20 und 22 linear beweglich sind. Als solche bewegen sich die Plattformen 20 und 22 während des Kaltwalzvorgangs nach innen, um Druck auf den Rohling auszuüben, um die Zähne des Zahnrads 12 durch die Zähne des ersten Werkzeugs 14 und des zweiten Werkzeugs 16 zu formen. In einigen Anordnungen erfolgt das Kaltwalzen des Zahnrades 12 durch Kaltwalzen eines zylindrischen Rohlings ohne Zähne. In anderen Anordnungen erfolgt das Kaltwalzen des Zahnrads 12 durch das Kaltwalzen eines Rohlings, der eine Verzahnung aufweist.
Wenn das Zahnrad 12 geformt wird, nimmt die Oberflächendichte des Zahnrads 12 zu, um die Härte und Festigkeit des Materials an der Oberfläche der Zähne des Zahnrads 12 zu erhöhen. 2 zeigt ein Diagramm in der Variation des Elastizitätsmoduls (GPa), wie durch θ angegeben, und der Porosität (%), wie durch π angegeben, als Funktion des Abstands vom Rand der Oberfläche (mm), wie durch y angegeben.
In 3 ist ein Zahn 30 der im Zahnrad 12 gebildeten Verzahnung dargestellt. Während der Formung des Zahnrads 12 wird der Rohling des Zahnrads 12 aus Pulvermetall gegen die Werkzeuge 14 und 16 gerollt, die aus einem härteren Stahl hergestellt sind. Dadurch wird die Verzahnung des Zahnrads 12 verdichtet, wodurch der Harnisch und die Festigkeit des Materials der Verzahnung des Zahnrads 12 erhöht werden. Weiterhin wird durch die Zähne der Werkzeuge 14 und 16 während des Kaltwalzens eine Streutopographie auf die Zähne 30 des Zahnrades 12 aufgebracht. Die Streutopographie unterbricht die periodische Natur der Zahnradanregungen, indem sie zufällige Zahn-zu-Zahn-Geometrieänderungen bewirkt. Diese zufällige Erregung reduziert die Tonalität des von einem Zahnradsatz erzeugten Geräusches, was einen wesentlichen Einfluss auf die wahrgenommene Klangqualität des Zahnradsatzes hat. Dementsprechend haben der Zahnradsatz des ersten Werkzeugs 14 und der Zahnradsatz des zweiten Werkzeugs 16 eine randomisierte Zahn-zu-Zahn-Mikrogeometrie oder eine vorgegebene Zahn-zu-Zahn-Variable-Mikrogeometrie, um Zähne 30 mit variierender Topografie zu erzeugen. Dadurch erhält das Zahnrad 12 eine Oberfläche, die mit einer variierenden Mikrogeometrie-Topographie verdichtet ist, die in einigen Anwendungen zufälliger Natur ist, was zu einer zufälligen Anregung während des Betriebs des Zahnrads 12 führt.
In 4A und 4B sind der Zahn 30 und ein Zahn 40 mit unterschiedlichen Mikrogeometrien oder Topographien dargestellt. Eine Kontur 32 zeigt in beiden Figuren einen Zahn mit einer Sollgeometrie.
4A zeigt den Zahn 30 mit einem Profil 34, bei dem die Kanten nach innen gewölbt sind, und 4B zeigt einen Zahn mit einem Profil 42, das am Zahn des Zahns 40 und an der Unterseite des Zahns nach innen gewölbt ist. 4A und 4B zeigen nur zwei Beispiele für einen Zahn mit verschiedenen Mikrogeometrien. Andere Mikrogeometrie-Parameter umfassen Variationen von mindestens einem der folgenden Parameter: Zahn-zu-Zahn-Abstandsfehler, Profilkrone, Steigungskrone, Profilneigung, Steilheit oder Profilspitzenrelief. Somit können die Zähne der Werkzeuge 14 und 16 Zähne mit zufälligen Mikrogeometrien oder einen vorgegebenen Satz von Zähnen mit variablen Mikrogeometrien aufweisen. Diese Mikrogeometrien werden dann der Verzahnung des Zahnrades 12 aufgeprägt.
Ein Getriebe mit Streutopographie der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehört die Zusammenführung mehrerer Prozesse in einem einzigen Verfahren. Nämlich die Verfestigung der Oberfläche der Zähne des Zahnrads und das Aufbringen einer variierenden Mikrogeometrie auf der Oberfläche der Zähne wird in einem einzigen Prozess durchgeführt. Darüber hinaus bietet das Verfahren eine NVH-Verbesserung, indem es die Tonalität des von einem Satz von Zahnrädern erzeugten Geräuschs verringert.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines Getriebes für Kraftfahrzeuge, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines Rohlings zwischen einem ersten Werkzeugelement und einem zweiten Werkzeugelement, wobei sowohl das erste Werkzeugelement als auch das zweite Werkzeugelement einen Satz von Zähnen aufweist; und Bewegen des ersten Werkzeugelements und des zweiten Werkzeugelements in Richtung des Rohlings, während das erste Werkzeugelement und das zweite Werkzeugelement gedreht werden, um ein Zahnrad mit einem Satz von Zähnen aus dem Rohling zu formen, wobei jeder Zahn des Zahnsatzes eine Topographie aufweist, die von Zahn zu Zahn unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rohling aus Pulvermetall hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche jedes Zahns des Zahnsatzes verdichtet wird, um die Härte und Festigkeit der Oberfläche jedes Zahns zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Elastizitätsmodul mit zunehmendem Abstand von einer Kante der Oberfläche abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Topographie zu einer zufälligen Erregung während eines Betriebs des Getriebes führt.
das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eines Zahnradzahns verdichtet ist und der Satz von Zähnen eine zufällige Zahn-zu-Zahn-Topographie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eines Zahnradzahns verdichtet ist und die Verzahnung eine vorgegebene variable Zahn-zu-Zahn-Topographie aufweist.